《農(nóng)機(jī)電器設(shè)備使用維護(hù)》章節(jié)教學(xué)-蓄電池的工作原理及工作特性

蓄電池的工作原理及工作特性一、蓄電池的工作原理蓄電池向起動(dòng)機(jī)及其他用電設(shè)備供電，稱為蓄電池的放電過(guò)程；在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)貯存發(fā)電機(jī)的部分電能，稱為蓄電池的充電過(guò)程。蓄電池充、放電過(guò)程是由蓄電池內(nèi)部正、負(fù)極板的活性物質(zhì)與電解液之間的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)完成的。根據(jù)雙硫化理論，蓄電池充、放電過(guò)程是一個(gè)可逆的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，其方程式是：PbO2＋2H2SO4＋PbPbSO4＋2H2O＋PbSO4正極板電解液負(fù)極板正極板電解液負(fù)極板由方程式可知，蓄電池在放電過(guò)程中，正極板上的活性物質(zhì)由深棕色的ＰbＯ2轉(zhuǎn)變?yōu)闇\褐色的ＰbＳＯ4；負(fù)極板上的活性物質(zhì)由青灰色的海綿狀純鉛Ｐb轉(zhuǎn)為灰色的ＰbＳＯ4；電解液中的Ｈ2ＳＯ4轉(zhuǎn)變?yōu)椋?Ｏ。充電過(guò)程中物質(zhì)的變化與放電過(guò)程相反。實(shí)際上，極板上的活性物質(zhì)僅有20％～30％參加反應(yīng)，大部分活性物質(zhì)由充、放電條件的限制未能進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。因此，為提高活性物質(zhì)的利用率，采用薄極板蓄電池。蓄電池充、放電過(guò)程中，由于電解液中的部分水（Ｈ2Ｏ）變?yōu)榱蛩幔ǎ?ＳＯ4）或硫酸變?yōu)樗?，所以電解液的相?duì)密度將上升或下降。因此，可以通過(guò)測(cè)量電解液相對(duì)密度方法來(lái)判斷蓄電池的充、放電程度。蓄電池的充、放電反應(yīng)如圖所示。蓄電池電化學(xué)反應(yīng)原理二、蓄電池的工作特性蓄電池的工作特性主要包括：靜止電動(dòng)勢(shì)Ｅj、內(nèi)電阻Ｒn、充、放電特性和容量。（一）靜止電動(dòng)勢(shì)Ｅj蓄電池在靜止?fàn)顟B(tài)下，正、負(fù)極板之間的電位差稱為靜止電動(dòng)勢(shì)，用Ｅj表示。它的大小與電解液的相對(duì)密度和溫度有關(guān)，在相對(duì)密度為1.050g/cm3～1.300g/cm3的范圍內(nèi)，可由下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其近似值：式中：ρ25——為298K時(shí)的電解液相對(duì)密度實(shí)測(cè)所得的電解液相對(duì)密度應(yīng)按下式換算成298K時(shí)的相對(duì)密度：（1-25）式中：ρt－－實(shí)際測(cè)得的電解液密度t－－實(shí)測(cè)得的電解液溫度β－－密度溫度系數(shù)β＝0.00075（即溫度每升１K，相對(duì)密度下降0.00075）蓄電池的電解液相對(duì)密度在充電時(shí)增高，放電時(shí)下降，一般在1.13g/cm3～1.29g/cm3之間波動(dòng)。因此，單格蓄電池靜止電動(dòng)勢(shì)相應(yīng)地在1.98V～2.14V之間變化。（二）內(nèi)電阻Ｒn電流流過(guò)蓄電池時(shí)受到的阻力稱為鉛蓄電池的內(nèi)阻。蓄電池的內(nèi)阻為極板電阻、電解液電阻、隔板電阻、鉛連接條和極柱電阻的總和，用Ｒn表示，其大小反映了蓄電池帶負(fù)載的能力。在相同的條件下，內(nèi)阻越愈小，輸出電流愈大，帶負(fù)載能力愈強(qiáng)。一般來(lái)說(shuō)，起動(dòng)型鉛蓄電池的內(nèi)阻很小，單體電池的內(nèi)阻約為0.11Ω。如內(nèi)阻過(guò)大，則會(huì)引起蓄電池端電壓大幅度下降而影響起動(dòng)性能。電解液的電阻與其密度和溫度有關(guān)。在溫度為293K時(shí)，蓄電池完全充足電的內(nèi)阻Ｒn，可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其近似值：式中：Ｕe－－蓄電池額定電壓（Ｖ）Ｑ20－－蓄電池額定容量（Ａh）（三）蓄電池的放電、充電特性1.蓄電池的放電特性蓄電池的放電特性是指在恒流放電過(guò)程中，蓄電池的端電壓Uf、電動(dòng)勢(shì)Ｅ和電解液密度ρ25的變化規(guī)律以及相互關(guān)系。如圖所示為充足電的蓄電池以20h放電率恒流放電的特性曲線。電解液相對(duì)密度隨放電時(shí)間的延長(zhǎng)按直線規(guī)律減小。因?yàn)樵诤懔鞣烹娺^(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)的硫酸消耗量是一個(gè)定值。鉛蓄電池的放電程度和電解液相對(duì)密度減小成正比。電解液密度每下降0.04g/cm3，蓄電池大約放掉25%額定容量Ｑe的電量。放電過(guò)程中，端電壓的變化規(guī)律可分為以下三個(gè)階段：第一階段放電開(kāi)始時(shí)，端電壓由2.14V迅速下降到2.1V左右。這是因?yàn)榉烹娗皾B入極板活性物質(zhì)孔隙內(nèi)部的硫酸迅速反應(yīng)變?yōu)樗?，而極板外部的硫酸還來(lái)不及向極板孔隙內(nèi)滲透，極板內(nèi)部電解液相對(duì)密度迅速下降，端電壓隨即迅速下降。第二階段端電壓由2.1V呈直線規(guī)律緩慢下降。該階段單位時(shí)間內(nèi)極板孔隙內(nèi)部消耗的硫酸量與孔隙外部向極板孔隙內(nèi)部滲透補(bǔ)充的硫酸量相等，處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的緣故。第三階段放電接近終了時(shí)，端電壓迅速下降到1.75V。其原因是：基板表面已形成大量硫酸鉛，堵塞了孔隙，滲透能力下降；同時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的滲透量小于極板內(nèi)硫酸的消耗量，極板內(nèi)的電解液相對(duì)密度迅速下降（對(duì)應(yīng)的電壓叫終止電壓，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)叫放電終了）。此時(shí)應(yīng)停止放電，如果繼續(xù)放電，端電壓在短時(shí)間內(nèi)將急劇下降到零，致使蓄電池過(guò)度放電，導(dǎo)致蓄電池產(chǎn)生硫化故障，縮短其使用壽命。蓄電池放電到終止電壓時(shí)應(yīng)停止放電，極板孔隙中的電解液與整個(gè)容器中的電解液相互滲透，趨于平衡，端電壓會(huì)有所回升。蓄電池放電終了的特征是：（1）單格電池電壓下降到放電終止電壓（以20h放電率放電時(shí)終止電壓為1.75V）；（2）電解液相對(duì)密度下降到最小值1.10g/cm3～1.12g/cm3。放電終止電壓與放電電流大小有關(guān)，放電電流越大，連續(xù)放電時(shí)間越短，允許的放電終止電壓也就越低。蓄電池的終止電壓與放電電流的關(guān)系電電流（A）0.05Ｑ200.1Ｑ203Ｑ20連續(xù)放電時(shí)間20h10h1min單格電池終止電壓（V）1.751.701.402.蓄電池的充電特性蓄電池的放電特性是指在恒流充電過(guò)程中，蓄電池的端電壓Uf和電解液密度ρ25隨充電時(shí)間而變化的規(guī)律。蓄電池充電過(guò)程中，電解液的相對(duì)密度基本按直線規(guī)律逐漸上升。這是因?yàn)椴捎煤懔鞒潆?，充電機(jī)每單位時(shí)間向蓄電池輸入的電量相等，每單位時(shí)間內(nèi)電解液中生成硫酸的量也基本相等。充電過(guò)程中，蓄電池端電壓Ｕf(shuō)的變化規(guī)律如圖所示，可分為四個(gè)階段：第一階段充電開(kāi)始時(shí)，端電壓上升較快。這是由于充電時(shí)極板上的活性物質(zhì)和電解液的化學(xué)反應(yīng)首先在極板孔隙內(nèi)進(jìn)行，極板孔隙孔中的水迅速消耗，生成的硫酸來(lái)不及向極板外擴(kuò)散，使孔隙中的電解液相對(duì)密度迅速增大，其端電壓迅速上升。第二階段是從2.10V至2.40V左右，端電壓穩(wěn)定上升。隨著充電的進(jìn)行，新生成的硫酸不斷向周?chē)鷶U(kuò)散，當(dāng)充電至極板孔隙中生成硫酸的速度和向外擴(kuò)散的速度基本處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，蓄電池端電壓的上升速度較穩(wěn)定，隨著蓄電池容器內(nèi)電解液相對(duì)密度的上升相應(yīng)增高。第三階段端電壓由2.40V左右迅速上升至2.70V。這時(shí)的充電電流除一部分使尚未轉(zhuǎn)變的硫酸鉛繼續(xù)轉(zhuǎn)變外，其余的電流用于電解水，產(chǎn)生氫氣和氧氣，以氣泡形式放出，形成“沸騰”現(xiàn)象。在此過(guò)程中，帶正電的氫離子和負(fù)極板上電子結(jié)合比較緩慢，來(lái)不及立即改變成氫氣放出，于是在負(fù)極板周?chē)惴e存了大量的帶正電的氫離子，使電解液與負(fù)極板之間產(chǎn)生約為0.33Ｖ的附加電位差，從而使蓄電池的端電壓由2.40V增至2.7V左右。第四階段為過(guò)充電階段。一般要進(jìn)行２～３小時(shí)，以保證蓄電池充足，此階段電壓不再上升。切斷充電電源后，極板外部的電解液逐漸向極板內(nèi)部滲透，極板內(nèi)外電解液相對(duì)密度達(dá)到平穩(wěn)平衡，同時(shí)附加電壓消失，端電壓又下降至2.1V左右穩(wěn)定下來(lái)。蓄電池充電終了的特征是：（1）電壓和電解液相對(duì)密度上升到最大值且在2～3小時(shí)內(nèi)不再上升；（2）電解液內(nèi)產(chǎn)生大量氣泡，呈現(xiàn)“沸騰”狀態(tài)。（四）蓄電池的容量及其影響因素1.蓄電池的容量蓄電池的容量是指在規(guī)定的放電條件下，完全充足電的蓄電池所能提供的電量。蓄電池的容量是標(biāo)志蓄電池對(duì)外放電能力，衡量蓄電池的質(zhì)量的優(yōu)劣以及選用的蓄電池最重要的指標(biāo)。蓄電池的容量與放電電流大小放電持續(xù)時(shí)間及電解液的溫度有關(guān)。它可分為額定容量、起動(dòng)容量和儲(chǔ)備容量。當(dāng)蓄電池以恒流值進(jìn)行放電時(shí)，其容量Q等于放電電流Ｉf和放電時(shí)間tf的乘積，即：式中：Q－－蓄電池的容量（Ａh）；If－－放電電流（Ａ）；tf－－放電時(shí)間（h）。蓄電池的容量是在一定的放電電流、一定的終止電壓和一定的電解液溫度下取得的。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB5008.1－1991《起動(dòng)用鉛酸蓄電池技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》規(guī)定，以20h放電率額定容量為起動(dòng)型蓄電池的額定容量。（1）20h放電率額定容量20h放電率額定容量是指完全充電的新蓄電池，在電解液溫度為298K時(shí)，以20h放電率(Ｉf=0.05Ｑ20安培)的電流連續(xù)放電到12Ｖ蓄電池端電壓降到10.50V±0.05V，6V蓄電池端電壓降到5.25V±0.02V時(shí)所輸出的電量，用Ｑ20表示，單位是Ａh。例如：6－Q－105型蓄電池，在電解液平均溫度為298k時(shí)，以5.25A的電流連續(xù)放電20h后，端電壓降至10.25V，其20h額定容量則為：C20＝5.25×20＝105Ａh。（2）儲(chǔ)備容量蓄電池的儲(chǔ)備容量是指完全充足電的蓄電池，在電解液溫度為298±0.02K的條件下，以25A電流恒流放電至單格電池平均電壓降到1.75V時(shí)，放電所持續(xù)的時(shí)間，用Ｃrn表示，單位為min。儲(chǔ)備容量表達(dá)了在充電系統(tǒng)失效時(shí)，蓄電池還能為車(chē)輛上的照明和點(diǎn)火等系統(tǒng)持續(xù)提供25Ａ恒流的能力。儲(chǔ)備容量與20h放電率容量之間的換算關(guān)系如下：式中：C20－20h放電率容量（Ａh）Cr.n－儲(chǔ)備容量（min）當(dāng)Crn≥480min或C20＞200Ａh時(shí)，上式不適用。（3）起動(dòng)容量農(nóng)機(jī)上配備的蓄電池主要用途是在發(fā)動(dòng)機(jī)采用電起動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，向電起動(dòng)機(jī)大電流供電。因此JB1058－77規(guī)定了蓄電池起動(dòng)容量，用以反映蓄電池大電流供電的能力。起動(dòng)容量有常溫起動(dòng)容量和低溫起動(dòng)容量之分。=1\*GB3①常溫啟動(dòng)容量即電解液溫度為303K時(shí)，以5min放電率放電的電流（3倍額定容量的電流）連續(xù)放電至規(guī)定的終止電壓(6V蓄電池為4.5V，12V蓄電池為9V)時(shí)，所輸出的電量。其放電持續(xù)時(shí)間應(yīng)在5min以上。=2\*GB3②低溫啟動(dòng)容量即電解液溫度為255K時(shí)，以3倍額定容量的電流連續(xù)放電至規(guī)定的終止電壓（6V蓄電池為3V，12V蓄電池為6V)時(shí)所放出的電量。其放電持續(xù)時(shí)間應(yīng)在2.5min以上。2.蓄電池容量的影響因素影響蓄電池容量的因素包括原材料、制造工藝和使用維護(hù)等諸方面。其中使用維護(hù)條件對(duì)蓄電池容量的影響分析如下：（1）放電電流放電電流越大，容量越低。放電過(guò)程中，正、負(fù)極板上的活性物質(zhì)將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徙U。硫酸鉛的體積比二氧化鉛、海綿狀鉛的體積大，使活性物質(zhì)的孔隙減少，電解液滲透阻力增大，電解液來(lái)不及滲入極板內(nèi)部，就已被表面生成的硫酸鉛堵塞，致使極板內(nèi)部大量的活性物質(zhì)不能參加反應(yīng)。同時(shí)，放電電流越大，單位時(shí)間消耗的硫酸越多。因而蓄電池容量減小。放電電流越大，電壓下降越快，越容易出現(xiàn)放電“終了”現(xiàn)象，如繼續(xù)放電，則將導(dǎo)致過(guò)放電而影響蓄電池的使用壽命。所以，應(yīng)當(dāng)合理地使用起動(dòng)機(jī)，每次起動(dòng)時(shí)間不應(yīng)大于5s，再次起動(dòng)時(shí)應(yīng)間歇10s～15s，以便使電解液充分滲透，使更多的活性物質(zhì)參加反應(yīng)，否則會(huì)導(dǎo)致蓄電池容量減小，使用壽命縮短。（2）電解液的溫度在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度低時(shí)，電解液粘度增加，離子運(yùn)動(dòng)速度慢，電解液向極板孔隙深層滲入困難，極板孔隙內(nèi)的活性物質(zhì)不能充分利用，使蓄電池的放電容量下降。溫度每下降１K，容量約下降1%，迅速放電時(shí)容量將減少２％。冬季用起動(dòng)機(jī)起動(dòng)車(chē)輛時(shí)，放電電流大，溫度又低，使蓄電池容量大大減小，這是冬季起動(dòng)時(shí)總感覺(jué)蓄電池電量不足的主要原因之一。由于溫度對(duì)蓄電池的容量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，所以冬季使用，尤其在我國(guó)北方地區(qū)冬季使用時(shí)，應(yīng)采取必要措施，改善使用條件，防止蓄電池容量迅速下降，延長(zhǎng)其使用壽命。（3）電解液相對(duì)密度在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)提高電解液的密度，可以提高蓄電池的電動(dòng)勢(shì)及電解液中活性物質(zhì)向極板內(nèi)的滲透能力并減少電解液的電阻，使蓄電池的電解液中有足夠的離子參加反應(yīng)，從而使其容量提高。但相對(duì)密度過(guò)高時(shí)，將導(dǎo)致電解液的粘度過(guò)大，滲透能力下降，內(nèi)阻增大，電解液中參加反應(yīng)的離子數(shù)量不足，也將使蓄電池端電壓及容量減小。另外，電解液密度過(guò)高，蓄電池自放電速度加快，并對(duì)極板柵架和隔板的腐蝕作用加劇，縮短了蓄電池的使用壽命。一